Gemini 7 startete von Cape Canaveral. Die Wasserung erfolgte 1.200 km südwestlich der Bermuda-Inseln im Atlantik.

Das Gemini-Raumschiff war konzipiert, um wesentliche Prozeduren für die Mondlandung mit dem nachfolgenden Raumschiff Apollo zu testen. Die konisch geformte Kapsel bestand aus zwei Hauptkomponenten, nämlich der Rückkehrkapsel (Reentry Module) und der Adapter-Sektion. Das Reentry Module wiederum gliederte sich in drei Hauptsektionen. Dies waren die Rendezvous & Recovery Section (R&R), die Reentry Control Section (RCS) und die eigentliche Mannschaftskabine (Cabine Section).
Bei den Rendezvous-Missionen enthielt das R&R das Rendezvous- und Annäherungsradar sowie die drei Halteklammern des Kopplungssystems, die in den Agena-Zielsatelliten einrasteten. Außerdem war in dieser Spitze der Gemini der Behälter für den Pilot- und Hauptfallschirm untergebracht. Zwischen R&R und der Mannschaftskabine befand sich die RCS. Darin waren Treibstoff- und Sauerstofftanks sowie die die notwendigen Ventile, Brennkammern und Triebwerksdüsen des vorderen Steuerungssystems untergebracht. Die RCS-Triebwerke wurden für Flugmanöver im Orbit und für den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre verwendet.
Die Mannschaftskabine verfügte über zwei unabhängige Einstiegsluken. Für jeden Astronauten war ein Schleudersitz für den Notfall vorhanden. Die Luke des Co-Piloten diente zugleich dem Ausstieg bei Außenbordmanövern. Insgesamt standen den beiden Astronauten etwa 1,6 Kubikmeter Raum zur Verfügung. Die Kabine stand unter Luftdruck und war aus Titanblech und einer äußeren Hülle aus hitzebeständigem "René41"- Metallplatten gefertigt. Am stumpfen Ende des Raumschiffs befand sich ein ablatives (abschmelzbares) Hitzeschild aus Beryllium-Material. Im Innern der Kapsel waren die Lebenserhaltungssysteme, die Kommunikationsanlage, eine autonome Energieversorgung, Anzeige- und Steuergeräte und bei den späteren Missionen ein Flugführungs-Computer untergebracht. Letztlich wurden dort auch die wissenschaftlichen Experimente gelagert. Die Landung einer Gemini-Kapsel vollzog sich so, dass in 15 km die Auswurfvorrichtung der Fallschirme gelegt wurde und anschließend der Pilotfallschirm ausgestoßen wurde. Bei einer Höhe von 6.400 m erfolgte die Öffnung der Luftventile, um einen Druckausgleich zu erreichen. Bei etwa 2.900 m wurde der Pilotfallschirm zusammen mit der R&R-Sektion abgetrennt und der Hauptfallschirm ausgestoßen.
Die Adapter-Sektion war aufgegliedert in die Retrogradesection und die Equipment Section, also den Geräteteil. In der Retrogradesection waren an einer Kreuzstruktur vier kugelförmige Feststofftriebwerke untergebracht. Sie lieferten jeweils einen Schub von 11,35 hN und dienten als Bremstriebwerke. Ebenso befanden sich dort vier Lagekontrolltriebwerke. Nach dem Abtrennen der Equipment Section und der Zündung der Bremstriebwerke wurde auch dieser Teil abgesprengt. Erst dadurch wurde der Hitzeschild freigelegt.
Die Equipment Section enthielt Treibstoff-, Sauerstoff- und Heliumhochdruckbehälter, mit denen das Lagekontroll- und Manövriertriebwerkssystem (OAMS) versorgt wurde. Zu diesem System gehörten auch sechs Triebwerke mit einem Schub von jeweils 450 N. Außerdem waren in dieser offenen Ringstruktur Batterien bzw. Brennstoffzellen, der Sauerstoffvorrat und Wasserreserven für das Kühlsystem untergebracht.
Die gesamte Adapter-Sektion war aus einer Magnesiumlegierung gefertigt und war zugleich Verbindungsteil zur Titan-Trägerrakete.
Das gesamte Gemini-Raumschiff wies eine Länge von 5,791 m auf und hatte einen maximalen Durchmesser von 3,048 m. Je nach Ausrüstung einer Mission lag die Gesamtmasse bei 3.130 bis 3.810 kg. Die Mannschaftskabine mit dem RCS und dem R&R hatte eine Länge von 4,45 m. Am stumpfen Ende hatte die Kapsel 2,30 m Durchmesser bei einer Masse von 2.030 kg). Die Adapter-Sektion hatte eine Bauhöhe von 1,34 m und eine Masse von mindestens 1.100 kg. Ihr Durchmesser betrug am oberen Ende 2,30 m und am unteren Ende 3,05 m.

Im Gegensatz zu den Mercury- und Apollo-Flügen, gab es bei Gemini keine Rettungsrakete, die beim Versagen der Titan-Rakete die Raumkapsel von der Startrakete weggerissen hätte. Die Titan-II-Rakete flog mit sogenannten hypergolen Treibstoffen, die im Falle des Versagens der Startrakete zwar zum Abbrennen, aber nicht zur Explosion neigen. Aus Gründen der Gewichtsersparnis wurden stattdessen in die Gemini-Raumschiffe Schleudersitze eingebaut. Das Verfahren wurde als "Ballute" bezeichnet. Bei einem erforderlich werdenden Ausstieg während der Startphase sollte sich das ballonähnliche Gebilde als erstes entfalten und den Flug des Astronauten stabilisieren, ehe der Fallschirm geöffnet wurde.

Gemini 7 war als Langzeitflug geplant. Frank Borman und James Lovell sollten den neuen Raumanzug testen. Zum ersten Mal sollte es möglich sein, den Anzug während bestimmter Phasen abzulegen. Der neue Anzug war aber nicht für lange Zeiten im Vakuum ausgelegt. Sollte ein Leck im Raumschiff auftreten, müsste die Mission abgebrochen und eine Notlandung eingeleitet werden.

Der Start von Gemini 6 war für den 25. Oktober 1965 vorgesehen, wurde dann aber abgesagt, weil der Zielsatellit GATV-6 nicht in die Erdumlaufbahn gebracht werden konnte. Drei Tage später gab der Präsident Lyndon B. Johnson bekannt, dass Gemini 6 und Gemini 7 eine Doppelmission durchführen würden: das erste gesteuerte Rendezvous bemannter Raumschiffe. Wegen der Änderung des Flugauftrages erhielt Gemini 6 den Zusatz "A".

Nachdem nach dem Start planmäßig auch die zweite Raketenstufe der Titan abgetrennt worden war, hatte die Mannschaft zunächst die Aufgabe, sich in unmittelbarer Nähe zur zweiten Raketenstufe zu halten und einige Zeit in Formation zu fliegen. Dieses Manöver wird von den Astronauten als "Station Keeping" bezeichnet. Danach wendete Frank Borman die Kapsel und versuchte ein Rendezvous-Verfahren mit eben dieser Stufe durchzuführen. Da aus der Stufe aber noch aus einer Leitung Treibstoff strömte, geriet die Stufe ins Taumeln. Aus Sicherheitsgründen, blieb Frank Borman daher mit der Kapsel in etwa 6 m Abstand, sodass es nur zur Annäherung für etwa 15 Minuten kam.

In den ersten Tag standen bereits mehrere Experimente auf dem Flugplan. Beim Überfliegen von Texas sollten Frank Borman und James Lovell nach dort aufgestellten Zeichen Ausschau halten, jedoch waren die Sichtverhältnisse nicht ausreichend. Ein anderes Experiment betraf die Stimmenübertragung per Laserstrahl. Nach White Sands abgesetzte Botschaften erreichten ihr Ziel nicht.

Während der nächsten Tage war stets einer der Astronauten im Raumanzug, der andere arbeitete und schlief in langer Unterwäsche. Das führte aber dazu, dass sich immer einer der beiden unwohl fühlte, denn die Klimaanlage konnte nicht beiden Bekleidungen gerecht werden. Aus Sicherheitsgründen verlangte die Flugleitung, dass zu keiner Zeit beide Astronauten ohne Raumanzug seien. Nach mehreren Tagen aber erhielten die Astronauten endlich die Erlaubnis, beide den Raumanzug abzulegen, außer während des Rendezvous mit Gemini 6A und während der Wiedereintrittphase.

Ein größerer Erfolg war dann dem Rendezvous-Manöver mit dem am 15. Dezember 1965 gestarteten Raumschiff Gemini 6A beschieden. Beide Raumschiffe näherten sich bis auf 30 cm und die Kapseln ließen sich problemlos navigieren - ein weiterer Meilenstein in der bemannten Raumfahrt. Die Hauptarbeit des Rendezvous hatte Gemini 6A zu leisten. Das Raumschiff verfügte über 270 Kilogramm Treibstoff für das Manöver. Dagegen sollte Gemini 7 im Hinblick auf die vorgesehene lange Flugzeit sparsam mit dem Treibstoff umgehen.
Schließlich drehte sich Gemini 6A um seine Querachse, sodass beide Raumschiffe bei der Annäherung mit der Nase zueinander flogen. Beide Gemini-Besatzungen fotografierten sich während des Formationsfluges gegenseitig. Gemini 6A umkreiste das Schwesterschiff in der senkrechten Umlaufebene. Nach fünfstündigem Formationsflug zündete Walter Schirra an Bord von Gemini 6A die Triebwerke, sodass sich beide Raumfahrzeuge auf etwa 70 Kilometer voneinander entfernten.

Erstmals erfolgte bei dieser Mission keine Arbeitsteilung der Astronauten - beide ruhten, beide arbeiteten. 20 Experimente standen auf dem Programm, von denen lediglich zwei scheiterten. Von den 20 Experimenten gehörten 8 zu den medizinischen Experimenten, in denen z.B. der Kalzium-Haushalt untersucht wurde oder das Verhalten des Blutkreislaufs im All im Hinblick auf physischen und mentalen Stress. Insgesamt gab es aber nur vier neue Experimente.

Am 16. Dezember 1965 berichteten die Astronauten der Bodenkontrolle, dass zwei Steuerdüsen Treibstoff verlieren. Allerdings beeinträchtigte dies den weiteren Raumflug nicht. Probleme bereiteten aber die Brennstoffzellen. In einer der beiden Brennstoffzellen waren zwei der drei Sektionen komplett ausgefallen. Nachdem die Ingenieure errechnet hatten, dass die Zellen noch für mindestens 150 Stunden Strom liefern würden, wurde die Mission fortgesetzt.

Die beiden Astronauten stellten einen neuen Aufenthaltsrekord im All auf. Nach den Highlights der Mission hatten die beiden Astronauten natürlich viel Zeit, die sie nun allerdings auch zum Lesen nutzen konnten. Im Gegensatz zu ihren Vorgängern hatten sie Bücher mitgenommen (Mark Twain bzw. Walter D. Edmonds).

Während des Fluges platzte ein gerade frisch befüllter Urinbehälter. Man konnte zwar die Flüssigkeiten bergen, aber es soll in der verbleibenden Zeit recht unangenehm gerochen haben.

Die Landung verlief allerdings problemlos und nur etwa 12 km vom berechneten Landepunkt entfernt. Auch diese Crew wurde von der USS Wasp geborgen.